基于時分隔離技術的充電模式的研究

毛 萌，劉立新，金國衛，鄺 凡，黃懿赟

(1.中國科學院等離子體物理研究所，安徽合肥230031；2.中國移動通信集團設計院有限公司重慶分公司，重慶400123；3.黃山市金屹電源制造有限公司，安徽黃山245000)

基于時分隔離技術的充電模式的研究

毛 萌1，劉立新2，金國衛3，鄺 凡1，黃懿赟1

(1.中國科學院等離子體物理研究所，安徽合肥230031；2.中國移動通信集團設計院有限公司重慶分公司，重慶400123；3.黃山市金屹電源制造有限公司，安徽黃山245000)

時分隔離技術能有效實現對并聯蓄電池組的電氣隔離，同時可將組合開關電源對并聯蓄電池組充電模式改變為脈沖充電。構建了鉛酸蓄電池的充電模型，并對恒流充電和脈沖充電兩種充電方式進行技術分析和仿真對比，結果表明，脈沖充電較恒流充電能夠有效提高充電效率并優化充電性能，為時分隔離技術的推廣與使用提供了重要的理論依據。

時分隔離技術；并聯；建模；恒流充電；脈沖充電

鉛酸蓄電池常作為獨立的電源廣泛地應用于通信及電力部門。由于受單體電池容量的限值，往往采用并聯運行的方法來延長蓄電池組的持續放電時間，但即使是相同規格型號的鉛酸電池，其電動勢及內阻也會受到諸多因素的影響而導致其端電壓難以保持一致，將這樣的蓄電池進行并聯運行后將會產生一定的弊病，并且在現有蓄電池組并聯技術方案中，蓄電池組之間通常只是利用開關或者熔斷器進行隔離，但這種簡單的機械隔離并沒有實現真正意義上的電氣隔離，因此，在并聯鉛酸蓄電池組的運行過程中，有效地隔離結構能夠使蓄電池組運行在最好的工況下。鉛酸蓄電池的基礎充電方法有常規充電方法和快速充電方法，常規充電法中的恒流充電和恒壓充電一般不單獨進行使用，而將二者相結合組成的分階段充電由于其良好的特性而被廣泛使用?？焖俪潆姺ǖ暮诵乃枷胧敲}沖充電，脈沖充電能夠顯著提高電池的充電性能，諸如縮短充電時間、節約充電電能、提高電池壽命和增加電池容量等。因此，將幾種充電方法相結合來對蓄電池進行充電，這將會極大地提升電池的充電性能。

1 時分隔離充電技術原理分析

并聯蓄電池專利[1]提出了一種新型的時分隔離技術，如圖1所示，該專利從充放電兩個角度分別優化了并聯蓄電池組的工作性能。

圖1 時分隔離充電模型

在蓄電池組進行充電的過程中，利用序列脈沖輸出驅動控制電路產生驅動信號，按一定的時間間隔輪流驅動異步充電支路中的場效應管V1～V，從而將組合開關電源對并聯蓄電池的連續恒流充電改變為脈沖充電，以達到對 組蓄電池進行隔離充電的目的。由于每條支路在分別進行充電的過程中，其脈沖充電的電流強度提高為恒流充電方法的n倍，而脈沖大電流充電方式對改善并聯蓄電池的充電性能如增加蓄電池容量、增強除硫效果和延長蓄電池的使用壽命都是非常有利的[2]。

在蓄電池組進行放電的過程中，在每條放電支路中放置二極管D1～Dn，利用其單向導通的特性使各支路蓄電池只能與通信負荷構成回路，不與其他支路的蓄電池構成直接連通的關系，從而消除了蓄電池組間相互充電、鉗位等危害。若在運行過程中某支路蓄電池因損壞而導致其端電壓下降，則受D1～Dn的隔離作用，該支路將會退出供電，該均流保護作用使得損壞的蓄電池支路不至于拖垮其他支路，而導致整個并聯蓄電池組運行的崩壞。

2 脈沖充電技術的仿真研究

對于通信基站中電源電壓為48 V的負載，通常情況下采用由12節2 V 500 Ah的鉛酸蓄電池進行串聯后對其進行供電，基于容量及放電時間的考慮，會適當增加蓄電池的并聯支數。時分隔離充電技術中很重要的一點就是將組合開關電源對并聯蓄電池的連續恒流充電改變為脈沖充電，故而將這兩種充電方法進行比較是非常有必要的。選擇采用建模仿真的方法，下面就利用蓄電池的充電過程中各種物理參數和電氣參數，對時分隔離技術中的脈沖充電方法進行分析研究。

2.1 鉛酸蓄電池的建模

目前，在精確建模過程中使用較為廣泛的鉛酸蓄電池的模型，是由Massimo Creole提出的三階動態模型[3]，而其余蓄電池的模型如初等模型和Thevenin模型[4]，則由于建模參數多為常數而導致模型不夠精確，只在精確度要求不高的情況下進行應用。

三階動態模型從電氣描述的角度，可看做是由2個RC網絡和1個代數支路組成的等效電路，如圖2示。該模型從主反應電路和寄生支路兩個部分對鉛酸蓄電池的基本特性進行了較為精確的描述：主反應電路體現了蓄電池內部的能量散發現象、歐姆效應和電極反應，而寄生支路則主要體現了蓄電池的自放電現象和水解反應。

圖2 鉛酸蓄電池的三階動態模型

三階動態模型的數學描述則是從電氣參數和物理參數表達式的角度來對電池模型進行定義的，相關數學表達式及相關參數已在文獻[3]中有詳細表述。由其數學描述可以看出該單體鉛酸蓄電池模型的輸入量為電池組的充電電流(A)和環境溫度(℃)，輸出量為電池組的荷電狀態SOC、充電深度DOC、電池端電壓(V)及電池電解液溫度(℃)，在Matlab-Simulink中建立鉛酸蓄電池系統的數學仿真模型如圖3所示，在模型的具體運算過程中，還應設置相關初始值與邊界值以完善模型的合理性與準確性。

圖3 鉛酸蓄電池系統的數學仿真模型

2.2 仿真結果

2.2.1脈沖充電同直流充電的仿真對比

在已建立的鉛酸電池模型仿真基礎上，針對鉛酸電池蓄電池恒流充電與脈沖充電這兩種充電模式進行仿真比較，保持鉛酸蓄電池模型構架不變，僅改變不同充電模式下的鉛酸電池充電時所需自行設置外部參數，所建立的針對這兩種充電模式同時進行仿真的模型如圖4所示。不同充電模式下鉛酸電池具體的外部充電參數設置如下：

圖4 鉛酸電池脈沖充電同直流充電的仿真模型

(1)荷電狀態SOC的比較和充電深度DOC的比較

荷電狀態SOC代表了蓄電池現有容量相對于其完全充電狀態狀態的容量的大小，在兩種充電模式下，鉛酸電池的荷電狀態SOC的變化曲線如圖5所示，可以看出在相同時間內，脈沖充電方式下電池的荷電狀態SOC值大于恒流充電方式下的荷電狀態SOC值，這說明了在相同的充電時間內，脈沖充電較恒流充電能夠給電池充入更多的電量，能夠有效地提高鉛酸電池的容量。由于在充電過程中，電池的荷電狀態SOC和DOC在定義上只有少許差別，SOC表示在給定溫度的條件下，電池相對其最大容量的充滿程度，DOC則表示電池相對于其實際容量的充滿程度，該實際容量值是以恒定電流充電時得到的電池容量，故在充電過程中，二者是相近的，在兩種充電模式下的鉛酸電池充電深度DOC的變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，在達到相同充電深度DOC值的情況下，脈沖充電較恒流充電耗時更短。但是在放電過程中，荷電狀態SOC和放電深度DOD的定義卻是截然不同的，并且有SOC+DOD=1的數學關系。

圖5 兩種充電模式下荷電狀態SOC曲線和DOC曲線

在允許的溫度范圍內，較高的電池電解液溫度有助于電池內部電化學反應速率的加快，能夠起到增加電池容量的作用，但是過高的電解液溫度會對蓄電池產生損害從而縮短其循環壽命。在兩種充電模式下，鉛酸電池電解液溫度的變化曲線如圖7所示，可以看出在兩種模式下電解液溫度的變化并不大，但該變化不大的溫差是在脈沖電流幅值增大近一倍的情況下產生的，故可以表明蓄電池在脈沖充電過程中表現出了較好的溫度特性。

圖6 兩種充電模式下端電壓曲線

圖7 兩種充電模式下電解液溫度曲線

(4)電池各等效內阻的比較

鉛酸蓄電池的內阻一般情況下可分為極化內阻和歐姆內阻。極化內阻主要考慮的是正負極發生電化學反應時所產生的內阻，歐姆內阻則指的是電極材料、電解液和隔膜之間的電阻。在兩種充電模式下，鉛酸電池模型中等效的極化內阻、的變化曲線如圖8所示，可以看出，模型中反應極化電阻大小的和在恒流充電過程中的阻值都大于脈沖充電過程中的阻值，故可以表明脈沖充電能夠降低蓄電池在充電過程中所產生的極化電阻值。

圖8 兩種充電模式下極化內阻和曲線

圖9 兩種充電模式下歐姆內阻曲線

2.2.2不同占空比下脈沖充電的仿真對比

脈沖充電同恒流充電最大的區別在于充電電流的不同，鉛酸電池在恒流充電過程中保持電流幅值的大小不變，而脈沖充電的充電電流是一組組的脈沖電流，雖然在充電過程中同樣保持了脈沖電流的幅值不變，但是其頻率和占空比都是可調的，故為了使鉛酸蓄電池在達到最好的充電效果，我們可以通過調節其頻率和占空比來對其充電性能進行研究。但是由于本文在對鉛酸蓄電池進行數學建模過程中，在對電荷量的數學模型定義時采取了積分的形式，這就直接導致了無法體現脈沖充電電流的頻率大小對輸出量的影響，故在此只對不同占空比情況下脈沖充電的仿真結果進行研究比對。

在仿真之前設置相關外部參數，將各脈沖充電電流的占空比分別設置為70%和60%，設置脈沖充電的脈沖幅值均為100 A和脈沖周期均為10 s，然后進行仿真得到相關輸出量的變化曲線如圖10所示。可以看出，當脈沖充電電流的占空比降低，即脈沖電流空閑時間增大時候，鉛酸電池模型的輸出量荷電狀態SOC和充電深度DOC都有所下降，這表明減小脈沖充電電流的占空比會在一定程度上降低蓄電池的容量，同時輸出量蓄電池端電壓和電解液溫度也呈下降趨勢，并且端電壓曲線的斜率更為平緩，這證明了較低的占空比有利于維持蓄電池端電壓的平穩性和較低的電解液溫度，但是考慮到由于電池容量的下降會直接導致充電時間的延長，故應在充電過程中適當選擇脈沖充電電流的占空比以達到最佳的充電效果。

3 結論

本文主要介紹了一種新型的并聯蓄電池專利，利用仿真的方法對該專利所產生的脈沖充電方式進行分析和研究。將脈沖充電方式與恒流充電方式進行仿真對比，從荷電狀態SOC和充電深度DOC的角度證明了脈沖充電較恒流充電可夠有效地提高鉛酸電池的容量；通過對蓄電池端電壓和電解液溫度的對比，可以看出采用脈沖充電方式下的蓄電池有著更平穩的端電壓變化情況和較好的溫度特性；綜合考量蓄電池的極化內阻和歐姆內阻，能夠得出脈沖充電能起夠到減少蓄電池內阻的結論。在針對脈沖充電相關參數設置的仿真過程中，在減小脈沖電流的占空比時，蓄電池的容量有所降低，同時也有著斜率更為平緩的端電壓fffd62和降低的電解液溫度fffd61。以上仿真結果證明了該并聯蓄電池專利中所提出的時分隔離技術在充電性能上的優越性，為其推廣與使用提供了理論依據。

[1]中國移動通信集團設計院有限公司.并聯蓄電池組充放電保護裝置：中國,ZL201020502722.4[P].2011-10-12.

[2]劉立新，魏弢.基站(房)并聯蓄電池組時分隔離技術研究[J].通信電源技術，2012,29(5):88-90.

[3]CERAOLO M.New dynamical models of lead-acid batteries[J].IEEE Transactions on Power Systems,2000,15(4):1184-1190.

[4]王治國，高玉峰，楊萬利.鉛酸蓄電池等效電路模型研究[J].裝甲兵工程學院學報，2003,17(1):78-81.

Research on charging method based on time-division isolation technology

The electrical isolation of the parallel battery unit efficiently could be realized by time-division isolation technology.The charging method could be transformed into pulse-current charging by switch power supplies for the parallel battery unit.The charging model of lead-acid battery was constructed,and constant-current charging with pulse-current charging by simulation was analyzed and compared.The results show that pulse-current charging has a higher charging efficiency than constant-current charging and optimizes the charging performance, providing important theoretical basis for extending and using the time-division isolation technology.

time-division isolation technology;parallel;constant-current charging;pulse-current charging

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0645-04

2015-08-19

國家磁約束聚變能發展研究專項(2015GB103000)

毛萌(1990—)，女，陜西省人，碩士生，主要研究方向為變電站二次設計及繼電保護。